Классификация систем электрического зажигания и конструкция запальных свечей

Классификация систем. Системы электрического зажигания авиадвига­телей предназначены для надежного воспламенения горючей смеси в ка­мерах сгорания при их запуске. В зависимости от типа авиадвигателя, установленного на ЛА, применяют различные системы зажигания: индук­тивные (высоковольтные и низковольтные), емкостные (высоковольтные и низковольтные), комбинированные и калильного зажигания. Основными параметрами индуктивных и комбинированных систем зажигания являются значения накопленной энергии, частота следования разрядов на свече и напряжение, развиваемое агрегатом зажигания, а для систем калильного зажигания - температура нагревательного элемента. В качестве одного из основных элементов системы зажигания применяют индукционную катушку.

Условия воспламенения топливных смесей в газотурбинных двигателях более тяжелые, чем в поршневых. Вследствие этого и наличия нагарообразования на свечах, а также работы при низких температурах система зажигания, применяемая на турбореактивных двигателях, должна обладать большим запасом энергии.

Система калильного действия оказалась ненадежной: высокие темпера­туры нагрева вызывали усиленную эрозию спирали, отложение нагара и выгорание изоляции калильной свечи, что быстро выводило ее из строя. Кроме того, она требовала от первичных источников электрической энер­гии большой мощности.

Системы зажигания с пусковыми катушками просты по конструкции, имеют небольшую массу, но не обладают достаточной энергией искро­вого разряда из-за электромеханического прерывателя, а также чувстви­тельности к отложению нагара на свече. Кроме того, они должны вырабатывать высокие напряжения, необходимые для пробоя воздушного промежутка (2 - 3 мм) искровых свечей.

Работа полупроводниковых свечей не зависит от давления в камерах сгорания и загрязнения их продуктами сгорания. Поэтому для систем зажигания с полупроводниковыми свечами требуется меньшее максималь­ное значение напряжения, чем для систем с искровыми свечами. Полупроводниковые свечи по сравнению с эрозионными менее чувствительны к нагарообразованию и значению шунтирующего сопротивления.

Эффективные значения токов пусковых катушек при индуктивной части разряда равны 40-80 мА, энергия разряда 50 мДж, средняя мощность 18-25 Вт. Разряды чередуются через определенный интервал времени. Энергия и мощность разряда уменьшаются с увеличением высоты, так как снижаются напряжение на разрядном промежутке и энергия емкостной части разряда. Разряд в системах зажигания с полупроводниковыми свечами характеризуется большими разрядными токами, достигающими тысячи ампер. Мгновенные значения мощности составляют около десяти тысяч ватт. Энергия одного импульса в разрядном промежутке равна нескольким джоулям. Этим системам присуща значительная длительность между соседними импульсами.

Энергия пусковых катушек, если их применяют с искровыми свечами, существенно уменьшается при падении давления. Этого недостатка не имеют системы зажигания со свечами поверхностного разряда. Эффектив­ность каждой из рассматриваемых систем зажигания зависит не только от параметров разряда и разрядного промежутка, но и от конструкции воспламенителя, качества распыления топлива, давления топливной смеси в зоне разряда и других параметров.

На двигателях с непосредственным воспламенением рабочей смеси лучшие результаты дают системы с мощной емкостной частью разряда, а с воспламенителями — низковольтные системы с эрозионными свечами.

Широкое распространение низковольтных систем зажигания со свечами поверхностного разряда объясняется тем, что они имеют высокую энер­гию разряда и менее чувствительны к нагарообразованию. В отличие от этого высоковольтные системы зажигания с искровыми свечами не всегда обеспечивали, особенно при низких температурах, надежный запуск авиадвигателя, работающего на жидком топливе, поскольку тем­пература воспламенения и горения жидкого топлива выше температуры его испарения.

Процесс испарения должен предшествовать воспламенению. Жидкое топливо не горит, горят его пары, смешанные с воздухом. В процессе распыления топлива и перемешивания его с воздухом топливо подго­тавливается к воспламенению. Тепловая энергия, выделяемая устройством зажигания, способствует испарению топлива. Чем мощнее устройство зажигания, тем надежнее воспламенение. При воспламенении сначала создается местный очаг пламени, который с большой скоростью рас­пространяется по всему объему камеры сгорания. В системах зажигания топливо воспламеняет электрический разряд между электродами запальной свечи. В зависимости от характера разряда различают два вида свечей: искровые, у которых разряд происходит в зазоре между электродами свечи, и поверхностного разряда, где разряд идет по поверхности полу­проводника (полупроводниковая свеча) или по металлизированной поверх­ности изолятора (эрозионная свеча).

Конструкция запальных свечей. Разряд искровой свечи показан на рис. 14.1, а.

Она имеет центральный 13 и два боковых 12 электрода, закрепленных в металлическом корпусе 8. Центральный электрод 13 с контактной головкой 5 находится внутри керамического изолятора 11. Подводящий провод и контактная головка изолированы от корпуса прокладкой 4 и керамической трубкой 3. На верхнем торце изоляционной прокладки и керамической трубки расположена изоляционная шайба 2, которая прижимается к прокладке с помощью кольца экрана 1. В нижней части свечи между корпусом и керамическим изолятором запрессована медная втулка 9, обеспечивающая необходимое уплотнение (для этой же цели служат наполнители 6, 7). Под фланец корпуса свечи для гермети­зации устанавливают кольцо 10.

Полупроводниковая свеча (рис. 14.1, б) состоит из металлического кор­пуса 1, керамического изолятора 6, в котором помещен проводящий стержень 7 с центральным электродом 9. Боковой электрод 8 выполнен в форме кольца. Между электродами расположен полупроводник 10, имеющий в поперечном сечении трапецеидальную форму. Между нижней частью копуса 1, полупроводником 10 и изолятором 6 стоит металли­ческое уплотнительное кольцо 11. У некоторых свечей полупроводниковый состав наносят тонким слоем на поверхность изолятора 6. Расстояние между электродами обычно 1-2 мм. Для изоляции провода, подводящего электроэнергию, служит изоляционная трубка 2,. закрепленная внутри корпуса свечи. Герметизация свечи обеспечивает гермоцемент 4, заполняю­щий промежуток между корпусом свечи, керамическим изолятором и втулкой 5. Шайба 3 обеспечивает надежный электрический контакт под­водящего провода с электродом 9.

В металлическом корпусе эрозионной свечи (рис. 14.1, в) закреплен керамический изолятор 2. Электрическая энергия подводится к централь­ному электроду 9 через металлический стержень 7, разряд между которым и боковым электродом 8 происходит по поверхности кольцевого про­межутка, образованного изолятором. Ширина кольцевой поверхности изо­лятора 0,8-1 мм. Герметизация свечи осуществляется медным кольцом 3 с прокладкой, керамической втулкой 4, наполнителем 5 и уплотнительной прокладкой 6.

Искровые процессы в свечах поверхностного разряда представляют собой вид разрядов, возникновение которых связано с тепловыми явле­ниями. Электрическая прочность промежутка, на котором происходит разряд, значительно ниже, чем в искровых свечах, что резко снижает напряжение, необходимое для пробоя промежутка.

В качестве полупроводника используют керамический материал на ос­нове двуокиси титана (рутила), частично восстановленного нагревом в вос­становленной среде. Чистая двуокись титана — диэлектрик, однако при нагреве в восстановительной среде она приобретает проводимость элект­ронного типа при нормальных температурах и сравнительно низких электрических напряжениях. Двуокись титана имеет положительный темпе­ратурный коэффициент теплопроводности и неодинаковую проводимость различных участков. При подключении полупроводника к источнику напряжения на его поверхности появляются узкие накальные нити, яркость которых с увеличением напряжения растет, и в конце концов происходит разряд, который делится на две стадии. На первой стадии происходят образование токопроводящего канала и нагрев его до температуры, при которой материал полупроводника начинает испаряться и ионизировать окружающий газ между электродами свечи. При этом одна часть подво­димой энергии к разряднику расходуется на нагрев полупроводника, а другая (меньшая) часть рассеивается в окружающую среду. Первая стадия характеризуется сравнительно медленным нарастанием тока и яв­ляется индуктивной.

Для второй стадии характерно более резкое нарастание тока на по­верхности полупроводника, она является искровой и протекает в газовой среде, прилегающей к поверхности полупроводника. После появления проводящего канала образуется область с высокой температурой и пони­женной плотностью - область с пониженной электрической прочностью. Напряжение разряда на поверхности полупроводника практически не за­висит от давления окружающей среды. Основная особенность низковольт­ного разряда - более низкое (300-400 В) напряжение, необходимое для пробоя искрового зазора, в то время как для образования обычного искрового разряда при тех же условиях требуется 1000 В.